unidad iv: reacciones de sustitución nucleofílica y ... · reacción ácido base, por lo que se...

UNIDAD IV: REACCIONES DE

SUSTITUCIÓN NUCLEOFÍLICA Y

ELIMINACIÓN

PRIMERA PARTE: MECANISMOS

Química Orgánica I

USAC

Primer Semestre 2017

Sección D

Familias de compuestos que sufren

reacciones de Sustitución Nucleofílica

Halogenuros de alquilo

Alcoholes

Éteres alifáticos

El enlace C-X y C-O-

• El enlace C-X y C-O- es un enlace polar.

• El carbono es un sitio deficiente en electrones y

reaccionará con reactivos nucleofílicos (bases de Lewis)

Reacción de sustitución: ecuación general

C-G + :Nu C-Nu + :G

Carbono sp3

deficiente en

electrones (ᵟ+). Es el

sitio reactivo de la

molécula Reactivo

nucleofílico

(base de

Lewis) neutro

o aniónico

Producto

de

sustitución

Grupo saliente:

es una base de

Lewis MAS

DÉBIL que :Nu

Además debemos considerar el disolvente

con el cual se trabaja y la temperatura de

reacción, es decir, las condiciones de

reacción

(En casos como los anteriores, cuando el nucleófilo presenta carga negativa,

se sobreentiende que hay un catión en el medio para balancear las

cargas,(p.ej. Na+, K+) pero puesto que la identidad del mismo no tiene

consecuencias, generalmente se omite en el momento de escribir las

ecuaciones.)

Los nucleófilos Nucleófilos y bases son estructuralmente similares: poseen pares de electrones

libres para compartir. Se diferencian en los átomos a los que atacan

preferentemente.

Las bases atacan protones. Los nucleófilos atacan otros átomos deficientes

en electrones, por lo general átomos de carbono.

Basicidad y nucleofilia

• Basicidad es una medida de la facilidad con la que un

átomo dona su par de electrones a un protón. Se puede

medir mediante Ka, una constante de equilibrio en una

reacción ácido base, por lo que se puede considerar una

propiedad termodinámica.

• Nucleofilia es una medida de la facilidad con la que un

átomo dona su par de electrones a otro átomo (distinto

del protón). Se caracteriza por su constante de velocidad,

k, por lo que se considera una propiedad cinética.

Fuente: McMurry, J. (2000) Organic Chemistry. 5th. Ed.

Thomson

Nucleofilia y basicidad

La nucleofilia va paralela con la basicidad en tres

situaciones:

• Dos nucleófilos diferentes pero que tienen el mismo

átomo nucleofílico: la base mas fuerte será mejor

nucleófilo:

Si comparamos HO- (pKa de H2O 15.7)y CH3COO- (pKa

de CH3COOH 4.8) vemos que el hidroxilo es una base

mas fuerte y será mejor nucleófilo.

• Un nucleófilo con carga negativa es un nucleófilo

más fuerte que su ácido conjugado

HO- es una base mas fuerte y mejor nucleófilo que H2O

Nucleofilia y basicidad

• Para elementos del mismo período (fila), la nucleofilia

aumenta paralela a la basicidad

Para elementos del segundo

período con la misma carga

Nucleofilia y basicidad: diferencias

• El impedimento estérico es un factor importante en

algunos casos.

• Bases voluminosas (impedidas estéricamente) son malos

nucleófilos, aunque la fuerza básica no se ve afectada.

Se consideran bases no nucleofílicas.

Nucleofilia y basicidad: diferencias

• El disolvente en el cual se lleva a cabo la reacción

afectará la nucleofilia del reactivo.

• Disolventes polares próticos como el agua y los

alcoholes, son aquellos capaces de formar puentes de

hidrógeno y de solvatar aniones (y cationes).

• Disolventes polares apróticos, como la acetona y el

dimetilsulfóxido (DMSO), no tienen protones disponibles

para formar puentes de hidrógeno y no solvatarán

aniones, pero sí pueden solvatar cationes.

Disolventes polares próticos. • Afectan la nucleofilia de la siguiente manera:

Para elementos de

una misma columna

Aumento de la nucleofilia en

DISOLVENTES POLARES

PRÓTICOS.

(orden inverso de basicidad)

En disolventes polares próticos, la nucleofilia aumenta al

aumentar el tamaño del ión (en elementos de la misma

columna de la tabla periódica)

Los disolventes polares próticos son

capaces de solvatar tanto aniones como

cationes.

Disolventes polares apróticos

• La nucleofilia se mantiene paralela a la basicidad para

elementos de la misma comuna:

• Al no solvatar a los aniones, éstos resultan más

disponibles como nucleófilos.

Los aniones quedan sin solvatar, pero los cationes

son solvatados por disolventes polares apróticos.

Disolventes polares próticos comunes:

Disolventes polares apróticos:

Cuando el nucleófilo inicial es neutro, generalmente el producto de

sustitución presenta una carga positiva:

Si el nucleófilo inicial es neutro y el producto presenta un –H unido a –N o

a –O, generalmente se da una transferencia de protones para dar como

resultado un producto neutro.

La basicidad del elemento disminuye de izquierda a derecha en una fila o período

de la tabla periódica, así, aumenta la estabilidad del grupo saliente

La basicidad del elemento disminuye hacia abajo en una columna de la tabla

periódica, así, aumenta la estabilidad del grupo saliente.

GRUPO SALIENTE

El grupo saliente

• Podemos definirlo como el átomo o grupo de átomos que

son desplazados por el nucleófilo.

• Este grupo desplazado, partirá con su par de electrones

ya que las reacciones que veremos se llevan a cabo

mediante rupturas de enlace heterolíticas.

• El grupo saliente debe ser capaz de estabilizar la

densidad electrónica resultante de esa ruptura

heterolítica.

• El grupo saliente será una especie estable.

Grupo saliente • Un mal grupo saliente puede transformarse en un buen

grupo saliente mediante una reacción previa. Esto es de

utilidad sobre todo en el caso de los alcoholes, ya que el

HO- es un mal grupo saliente:

Otra alternativa es trabajar en medio ácido, de esta manera el alcohol

se protona y el grupo saliente sería agua, pero no se puede emplear

nucleófilos cargados negativamente en esas condiciones.

• Los datos anteriores nos indican que se trata de una

reacción compleja, puesto que se han obtenido

productos tanto de sustitución (alcohol) como de

eliminación (alquenos)

• Los datos de actividad óptica indican que el alcohol en

realidad es una mezcla de enantiómeros, uno en

mucha mayor proporción que otro.

• La concentración del nucleófilo determina la velocidad

de reacción, por lo que debe estar involucrado en el

paso determinante de la reacción

Un análisis detallado de los productos de la reacción da

los siguientes resultados

Formación del producto mayoritario

S-2-

octanol

La única explicación para el hecho de obtener un producto con inversión de

la configuración implica que el nucleófilo debe aproximarse al sitio reactivo

del lado opuesto a donde se encuentra el grupo saliente.

La reacción es estereoespecífica.

La cinética de la reacción debe tener esta expresiön:

Velocidad = k[ C8H17Br ][ OH- ] mol·L-1·s-1

Puesto que la concentración del nucleófilo afecta la velocidad de reacción

Estereoquímica de la reacción SN2

Sustitución Nucleofílica Bimolecular

En el estado de transición de SN2 el

carbono que sufre el ataque está

momentáneamente pentacoordinado, en

hibridación sp2

Efecto estérico en SN2

Reactividad del sustrato en SN2

Perfil de energía de una SN2

Efecto del disolvente en SN2

S

O

CH3H3C

DMSODimethyl Sulfoxide

P

O

(H3C)2NN(CH3)2

N(CH3)2

HMPAHexamethylphosphoramide

C

O

HN

H3C

CH3

DMFDimethylformamide

C

O

CH3H3C

Acetone

Características del sustrato: grupo

saliente. • Los grupos salientes deben cumplir las siguientes

características:

Electronegativos, porque así polarizan el enlace con el

carbono.

Polarizables, porque así estabilizan el estado de

transición.

Bases débiles (estables) una vez que se liberan.

Características de una reacción SN2 Característica Resultado

Estereoquímica Ocurre con inversión de la

configuración

Cinética De segundo orden, la

velocidad se ve afectada

por la concentración de

reactivo y de sustrato

Sustrato Sin impedimento estérico.

Los factores electrónicos no

son importantes

Grupo saliente Debe ser un buen grupo

saliente (base débil)

Disolvente Polar aprótico favorece la

reacción

¿Por qué se forman los otros productos

en nuestro experimento? • Debe haber otros mecanismos de reacción que justifican

la aparición de otros productos.

• Estos mecanismos compiten entre sí por el sustrato, que

en este caso es un halogenuro de alquilo secundario.

La reacción SN1

• En esta reacción, se forma

un intermediario reactivo

(un carbocatión)

• Sigue una cinética de

primer orden v=k[sustrato]

• Ocurre con racemización

del centro reactivo.

Racemización en la SN1

El sustrato

• Los efectos electrónicos son importantes, porque se trata

de estabilizar al intermediario reactivo (un carbocatión).

• Por lo tanto, la reactividad del sustrato será la inversa de

la que corresponde a una SN2:

Estabilidad de los carbocationes

Grupos alílicos y bencílicos

• Son igualmente reactivos frente a reacciones SN2 y SN1.

Se muestra la energía necesaria para romper el enlace

C-halógeno.

El disolvente: polar prótico

• Al solvatar el carbocatión, lo estabilizan.

El nucleófilo

• Los nucleófilos neutros (sin carga neta) favorecen la

reacción SN1.

• Nucleófilos como agua, alcoholes, aminas o amoniaco

además tendrán la función de disolventes polares

próticos y la reacción será una solvólisis.

• Los efectos del nucleófilo son mas evidentes en sustratos

secundarios, ya que éstos pueden reaccionar por

cualquiera de los dos mecanismos, y las condiciones de

reacción favorecerán uno u otro.

Grupo saliente

• Debe cumplir las mismas características que para la SN1

SN1 SN2

• Buenos grupos salientes (bases débiles) favorecen la reacción.

• El efecto electrónico es determinantes en la velocidad de reacción: sustratos más sustituidos reaccionarán más rápido porque el carbocatión formado es más estable.

• El carbocatión puede sufrir reordenamientos si con eso incrementa su estabilidad.

• Buenos grupos salientes (bases débiles) favorecen la reacción.

• El efecto estérico es determinante en la velocidad de reacción: sustratos poco sustituidos reaccionarán más rápido, porque no impiden el ataque del nucleófilo.

SN1 SN2

• El nucleófilo debe ser una base de Lewis.

• Los nucleófilos neutros son efectivos.

• La concentración del nucleófilo no afecta la velocidad de reacción, porque se sigue una cinética de primer orden:

• V=k[sustrato]

• El nucleófilo debe ser una base de Lewis.

• Los nucleófilos neutros son menos efectivos que los cargados.

• La concentración del nucleófilo sí afecta la velocidad de reacción, porque se sigue una cinética de segundo orden: v=k[sustrato][:Nu]

SN1 SN2 • Los disolventes polares

próticos favorecen la

reacción, pudiendo

funcionar también como

nucleófilos en

reacciones de solvólisis.

• El disolvente polar

prótico estabilizará al

estado intermediario y al

carbocatión.

• Los disolventes polares apróticos favorecen la reacción.

• Al no formarse cargas netas, no hay necesidad de estabilizar cationes.

• Un disolvente prótico puede “enmascarar” al nucleófilo y disminuir la velocidad de la reacción

SN1 SN2

• La reacción sigue un

mecanismo de dos

pasos

• Puesto que el

intermediario reactivo es

plano, se produce con

racemización del

producto.

• La reacción sigue un

mecanismo de un paso.

• Como el ataque del

nucleófilo se da del lado

opuesto a donde se

encuentra el grupo

saliente, se produce con

inversión de la

configuración en el

producto.

Sustrato SN1 SN2

metil Nunca se da en

disolución.

Muy rápida con buenos

nucleófilos y buenos

grupos salientes.

primario Nunca se da en

disolución.

Igual al anterior. Difícil

cuando el carbono

contiguo está

ramificado.

secundario

Lenta. Se acelera con un

buen grupo saliente y en

disolventes próticos.

Lenta. Se acelera con

una concentración alta

de un buen nucleófilo y

en disolventes

apróticos.

terciario

Muy rápida, sobre todo

en disolventes polares

próticos y con buenos

grupos salientes.

Extremadamente lenta.

Reacciones de eliminación.

• Darán como producto un compuesto con un doble enlace

carbono-carbono.

• Eliminarán una molécula pequeña, neutra (sin carga),

como HX, H2O, ROH.

• Compiten con las sustituciones.

• Se ven favorecidas por temperaturas elevadas.

Los carbocationes pueden

a. Reaccionar con el Grupo Saliente y regenerar el

sustrato.

b. Reaccionar con el Nucleófilo y formar el producto de

sustitución.

c. Reordenarse para dar un carbocatión más estable y

luego, seguir reaccionando como en a o b.

d. Perder un protón y formar un producto de eliminación

E1 (eliminación unimolecular):

En la E1 se pierde tanto el Grupo Saliente como un protón.

El nucleófilo actúa también como una base.

Se forman tanto los productos de sustitución como los de

eliminación.

Mecanismo de la E1

• Primer paso: formación del carbocatión.

• Segundo paso: la base abstrae un protón del carbocatión

y se forma un doble enlace.

¿Qué tipo de alqueno se forma?

• Se forma el alqueno más estable (más sustituido) como

producto mayoritario (Regla de Zaitzev).

Eliminación bimolecular E2

• Es un ejemplo de una reacción concertada.

• Requiere de una base fuerte y con impedimento estérico,

para disminuir la nucleofilicidad.

• La reactividad de los sustratos es 3°>2°>1°

• El producto mayoritario sigue la regla de Zaitzev.

Consideraciones de estereoquímica

• El grupo saliente y el protón deben formar un ángulo de

180° entre sí, para que la reacción pueda darse.

• Este arreglo anti-coplanar disminuye cualquier

impedimento estérico entre el grupo saliente y la base y

• Alinea los orbitales del hidrógeno y el grupo saliente para

que se pueda formar el doble enlace.

Referencias

• Ver los libros de texto recomendados en el programa.